kurskoluk (Проектирование РЭС), страница 2

Н=10,5+1,5=12 мм

Определение массы ячеек.

Масса каждой ячейки состоит из массы печатной платы и массы элементов, расположенных на ней. Масса каждого элемента m_i представлена в приложении 1 в таблице 1.

mяч=mnn + mi

(1.4)

где m_nn=ρхV — масса печатной платы, кг

ρ — плотность материала платы, кг/м³

V — объем ячейки, м³

Первая ячейка:

m_nn=2,4х10³ 4б8х10^-6=0,01152 кг

m_яч=0,0135+0,01152=0,02502 кг

Вторая ячейка:

m_nn=2,4х10³ 4б8х10^-6=0,01152 кг

m_яч=0,02065+0,01152=0,03217 кг

Вывод: найдены массо-габаритные размеры ячеек.

3.1.1.4. Выбор способов крепления плат.

Горизонтально расположенную плату крепят на двух П-образных скобках с помощью 4 винтов и гаек, причем винты проходят через плату, скобки и основание. Скобки изготовлены из алюминия.

3.1.2. Анализ и уточнение варианта.

3.1.2.1. Определение компановочных характеристик корпуса велоодометра включает в себя 2 этапа: определение габаритных размеров корпуса блока, определение общей массы конструкции блока. Габаритные размеры корпуса блока определяются исходя из конструкторских соображений.

Определяем ориентировочный объем проектируемой конструкции:

V= Vустi

(1.5)

где К_v – обобщенный коэффициент заполнения объема.

V_устi – установочный объем i-го элемента.

В качестве установочного объема i-го элемента выбираем объем ячейки. Тогда формула примет вид:

V= Vяч i	(1.6)
Vячi = Hi Li Bi	(1.7)

V_{яч 1,2}=40 80 12=38400 мм³=384 10^-6м³

V_ = 384 10^-6=480 10^-6м³

Высота корпуса блока определяется по формуле:

H=Hяч +Х1+Х2

(1.8)

где H_яч — высота ячеек

Высота ячеек складывается из высоты каждой ячейки и зазора между ячейками — 1 мм.

H_яч=25 мм

Х_1, Х₂ – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячейки в блок.

Х₁ =2,5 мм, Х₂ =2,5 мм.

H=25+2,5+2,5=30 мм.

Ширина корпуса блока определяется по формуле:

B=Bяч+Y1+Y2

(1.9)

где B_яч — размер ячейки,

B_яч =50 мм

Y₁,Y₂ — припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячейки в блок

Y₁=5; мм

Y₂=5 мм

B=40+5+5=50 мм.

Длина корпуса блока определяется по формуле:

L=Lяч+Z1+Z2

(1.10)

где L_яч — размер ячейки, L_яч=80 мм

Z₁, Z₂ — припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячеек в блок,

Z₁=Z₂=5 мм

L=80+5+5=90 мм

Масса конструкции блока определяется по формуле:

m=mяч+mк+mосн+mдоп

(1.11)

где m_яч — масса ячеек, кг,

m_к — масса корпуса блока, кг,

m_осн — масса основания блока, кг,

m_доп — масса дополнительных элементов, кг.

m=0,0254∙2+0,102+0,015=0,162,8 кг.

Вывод: Определены габариты блока и масса.

3.1.2.2. Расчет теплового режима блока.

Целью расчета является определение температур нагретой зоны и среды вблизи поверхности ЭРЭ, необходимых для оценки надежности. Расчет тепловых полей внутри блока невозможен из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при расчете теплового режима блоков РЭА используют приближенные методы анализа и расчета. Расчет проводится для наиболее критичного элемента, т.е элемента допустимая положительная температура которого имеет наименьшее значение среди всех элементов, входящих в состав устройства и образующих нагретую зону. Конструкция РЭА заменяется её физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t_н.з и рассеиваемую тепловую мощность P_н.з. Расчет теплового режима блока производят в 2 этапа: определение температуры корпуса блока t_к и определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны t_н.з. Для выполнение расчета теплового режима необходимы следующие исходные данные:

размеры корпуса:

ширина B=0,05 м

длина L=0,09 м

высота H=0,03 м

размеры нагретой зоны l b h, 0,085 0,040 0,020

величина воздушных зазоров между:

нагретой зоной и нижней поверхностью корпуса h_н=0,005 м

нагретой зоной и верхней поверхностью корпуса h_в=0,005 мм

мощность, рассеиваемая блоком в виде теплоты Р_о=1 Вт

мощность радиоэлементов, расположенных непосредственно на корпусе блока Р_к=0,8 Вт

температура окружающей среды t_о=60^оС

Этап 1. Определение температуры корпуса.

Рассчитываем удельную поверхность мощность корпуса блока:

qк=Po/Sк

(2.0)

где S_к — площадь внешней поверхности корпуса блока

Sк=2 (H B+B L+H L)

(2.1)

S_к=2 (0,03 0,05+0,05 0,09+0,03 0,09)=0,0087 м²

q_к=1/0,0087=11,4 Вт/м

Перегрев корпуса блока в первом приближении t_к=2 ^оС

Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней _лв, боковой _лб, нижней _лн поверхностей корпуса:

лi=Еi 5,67[( )4–( )4]/ tк

(2.2)

где Е_i — степень черноты i-й наружной поверхности корпуса, для боковой и верхней поверхностей Е = 0,92

При расчете получилось:

_лв=5,4;

_лб=5,4;

_лн=5,4.

Для определяющей температуры t_m=t_o+0,5 t_к=61^oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса:

Grmi = m g tк

(2.3)

где L_опрi — определяющий размер i-й поверхности корпуса,

_m — коэффициент объемного расширения, для газов

_m = (t_m+ 273)^-1= 0,003,

g — ускорение свободного падения, g=9,8 м с^-2;

V_m — кинетическая вязкость газа, V_m=16,96 10^-6 м²/с;

Gr_mв=0,003 9,8 ∙2=2,6

Gr_mб=0,003 9,8 ∙2=0,09

Gr_mн=0,003 9,8 ∙2=2,6

Определяем число Прандтля Рч, Рч=0,701

Находим режим движения газа, обтекающего каждую поверхность корпуса:

(Gr Рч)_mв=(Gr Рч)_mн=1,8

(Gr Рч)_mб=0,06

Так как (Gr Рч)_m 5 10², то режим переходный к ламинарному.

Рассчитываем коэффициенты теплообмена конвекцией для каждой поверхности корпуса блока _кi:

кi=1,18 (Gr Рч)1/8m Ni

(2.4)

где _m — теплопроводность газа, _m=2,68 10^-2 Вт/м К

N_i – коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности корпуса:

N_i=

_кв=1,18 3,8^1/8 1,3=0,53

_кб=1,18 0,31^1/8 1=0,69

_кн=1,18 3,8^1/8 0,7=0,28

Определяем тепловодную проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой G_к:

Gк=( кн+ лн)∙Sн+( кб+ лб)∙Sб+( кв+ лв)∙Sв

(2.5)

где S_н, S_б, S_в — площади нижней, боковой и верхней поверхностей корпуса соответственно

S_н=S_в=L B=0,0015 м²

S_б=2H (L+B) = 2 0,05 (0,115+0,03)=0,0084 м²

При расчете получилось:

G_к=0,332

Рассчитываем перегрев корпуса блока во втором приближении t_ко:

tко = (Ро/Gк) Ккп Кн1

(2.6)

где К_кп — коэффициент зависящий от коэффициента перфорации корпуса блока,

К_кп=0,6

К_н1—коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды,

К_н1=1

Расчет: t_ко=(0,6/0,332) 0,6 1=1,8^оС

Определяем ошибку расчета:

= / tко

(2.7)

Так как <0,1, то расчет можно закончить.

Рассчитываем температуру корпуса блока:

tк=to+ tко

(2.8)

t_к = 25+1,8=61,8^oC

Этап 2. Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны.

Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока q_3.

q3=

(2.9)

где Р₃ — мощность, рассеиваемая в нагретой зоне, Р₃=Р_о-Р_к

q₃= =14,8 Вт/м²

Перегрев нагретой зоны относительно температуры, окружающей блок среды в первом приближении:

t_з=3^оС

Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними _злн, верхними _злв и боковыми _злб поверхностями нагретой зоны и корпуса:

злi=Eпi 5,67[( )4–( )4]/( tз- tко)

(2.10)

где E_пi — приведенная степень черноты i-й поверхности нагретой зоны и корпуса:

Eпi=[ +( -1) ]-1

(2.11)

E_3i и S_3i — степень черноты и площадь i-й поверхности нагретой зоны.

Е_пв=0,933

Е_пб=1,98

Е_пн=0,933

Отсюда: _злв=5,9

_злб = 13,9

_злн=5,9

Для определяющей температуры t_m=(t_к+t_o+ t_з)/2=(61,8+60+4)/2=62,9 ^oC

Находим числа Грасгофа и Прандтля:

Gr_mн =Gr_mв=6,4,Gr_mб=2,1

Рч=0,701

Рассчитываем коэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности:

для нижней поверхности:

зкн= m /hн

(2.12)

для верхней поверхности:

_зкв= _m /h_в,

для боковой поверхности:

_зкб= _m /h_б

При расчетах получилось:

_зкн = _зкв=5,36

_зкб=4,87

Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом:

Gзк=Кσ ( злi+ зкi)·Sзi

(2.13)

где К_σ– коэффициент, учитывающий кондуктивный теплообмен, Кσ=0,09

При расчете получилось:

σ_зк = 0,54

Рассчитываем перегрев нагретой зоны t_зо во втором приближении:

tзо= tко+

(2.14)

где К_w — коэффициент, учитывающий внутреннее перемещение воздуха, К_w=1

К_н2 — коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, К_н2=1

Расчет: t_зо=1,8+ =2,8

Определяем ошибку расчета:

=

= =0,06

Так как <0,1, то расчет может быть закончен.

Рассчитываем температуру нагретой зоны:

t3=to+ tзо

(2.15)

Получаем:

t₃=60+2,8= 62,8 ^оС

Так как самый нетермостойкий элемент выдерживает температуру до +70 ^оС, то полученный тепловой режим работы подходит.

3.1.2.3. Расчёт системы на механические воздействия

Целью расчета является определение действующих на элементы изделия перегрузок при действии вибрации и ударов, а также максимальных перемещений. Для выполнения расчета механических воздействий необходимы следующие исходные данные:

геометрические размеры платы, l b h, м: 0,080 0,040 0,0015

диапазон частот вибрации, f_виб=40 — 80 Гц

длительность удара, τ=5 — 10 мс

амплитуда ускорения при ударе, Н_у=20,1 g

предельное ускорение, выдерживаемое элементами блока без разрушения:

при вибрации 8g

при ударах 45 g

при линейных ускорениях 25 g

Расчет на действие вибрации. Расчет собственных колебаний конструкции является трудоемкой задачей. Поэтому заменим конструкцию эквивалентной расчетной схемой. Определяем частоту собственных колебаний отдельных конструкционных элементов.Частота собственных колебаний равномерно нагруженной пластины вычисляется по формуле:

fo=

(3.1)

где a и b — длина и ширина пластины, м

D — цилиндрическая жесткость пластины, Н м

D=έ h3/12 (1- )

(3.2)

где К_a — коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон платы, определяется по формуле:

Кa=

(3.3)

έ — модуль упругости, Н/м²;

h — толщина пластины, м;

m — масса пластины, с элементами, кг.

D= =9,9 Н м;

К_a=24,24

Для первой платы:

f_o= =96,4 Гц

Для второй платы:

f_o= =85,7 Гц

Для печатного узла должно выполняться условие f_o>f_в. Так как f_o>f_в, то обеспечивается защищенность конструкции велоодометра от вибрационных воздействий, за счет отстройки собственной частоты печатного узла от максимальной частоты внешних вибрационных воздействий.

2) Расчет на действие удара

Движение системы, вызываемое ударной силой, в течение времени действия этой силы определяется законом вынужденных колебаний. После прекращения действия ударной силы, движение системы подчиняется закону свободных колебаний. Начальными условиями при этом являются смещение и скорость движения в момент прекращения действия удара.

а) Определяем условную частоту ударного импульса:

(3.4)

где — длительность ударного импульса, с.

b) Определяем коэффициент передачи при ударе:

Ку=2 sin

(3.5)

где — коэффициент расстройки,

=

(3.6)

Для первой платы:

=314,16 /2π 96,4=0,519

К_у=2·sin =0,106;

Для второй платы:

=314,16 /2π 85,7=0,583

К_у=2·sin =0,094;

c) Рассчитываем ударное ускорение:

=Hу Кy

(3.7)

где Н_у — амплитуда ускорения ударного импульса

Для первой платы:

=20,1g 0,106=2,13 g

Для второй платы:

=20,1g 0,094=1,89 g

d) Определяем максимальное относительное перемещение:

Zmax= ·sin

(3.8)

Для первой платы:

Z_max= ·sin =0,003 м

Для второй платы:

Z_max = ·sin =0,004 м

e) Проверяется выполнение условий ударопрочности по следующим критериям:

ударное ускорение должно быть меньше допустимого, т.е. < , где определяется из анализа элементной базы, =45 g.

Z_max<0,03 b²

где b — размер максимальной стороны ПП.